【摘? 要】針對(duì)傳統(tǒng)新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)制造工藝復(fù)雜且周期長(zhǎng)的問(wèn)題，本文將鑄造技術(shù)與數(shù)字化技術(shù)相結(jié)合，提出一種增減材復(fù)合成型工藝，以復(fù)雜零部件發(fā)動(dòng)機(jī)為例，將3D打印增材制造與數(shù)字化無(wú)模精密成型減材制造以及計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬分析技術(shù)結(jié)合起來(lái)，成功快速開(kāi)發(fā)出六缸柴油發(fā)動(dòng)機(jī)缸體，實(shí)現(xiàn)了三維CAD/CAE/CAM的集成應(yīng)用，在新產(chǎn)品試制階段，可有效縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，降低開(kāi)發(fā)成本，為復(fù)雜產(chǎn)品開(kāi)發(fā)提供一種新的制造方法。

【關(guān)鍵詞】發(fā)動(dòng)機(jī);模擬分析;增材制造;減材制造。

引言

隨著汽車(chē)行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的日趨激烈，以及汽車(chē)燃油排放標(biāo)準(zhǔn)的越來(lái)越高，發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)零部件更新?lián)Q代的速度不斷加快，短周期、小批量的新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)成為一種趨勢(shì)。不論是發(fā)動(dòng)機(jī)零部件還是工程機(jī)械零部件，質(zhì)量要求越來(lái)越高，除強(qiáng)調(diào)少（無(wú)）余量鑄造以外，還要求鑄件結(jié)構(gòu)的整體化與集成化。傳統(tǒng)有模鑄造難以滿足其復(fù)雜程度高、精度高、周期短等要求。3D打印砂型增材制造和數(shù)字化無(wú)模精密鑄造成形技術(shù)是鑄造、數(shù)控、計(jì)算機(jī)等技術(shù)的系統(tǒng)集成，不需要模具，直接運(yùn)用三維CAD模型驅(qū)動(dòng)專(zhuān)用設(shè)備進(jìn)行砂型打印和直接數(shù)控切削加工砂型，合模組裝得到鑄型，快速澆鑄出金屬件，整個(gè)過(guò)程具有數(shù)字化、綠色化和柔性化的特點(diǎn)。

1.數(shù)字化設(shè)計(jì)

該缸體輪廓尺寸1088 * 556 * 454mm，材質(zhì)：HT300，缸體質(zhì)量;358kg，缸徑80mm，缸體壁厚5.5mm，高壓油缸壁厚6mm，零件結(jié)構(gòu)特征如圖1所示：

基于該缸體的結(jié)構(gòu)特征，綜合考慮采用半封閉式澆注工藝，從而增大橫澆道斷面，減緩金屬液在橫澆道的流動(dòng)速度，提高沖型穩(wěn)定性，同時(shí)在橫澆道末端設(shè)置集渣孔從而強(qiáng)化擋渣能力。其澆鑄系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示：

鑄造所需澆鑄時(shí)間采用公式（1）：

式中G 件為鑄件重量，358Kg; δ為平均壁厚，5.5mm;f為材質(zhì)系數(shù)，通過(guò)查表取值為1;帶入數(shù)值計(jì)算得澆注時(shí)間約為26.25秒。

其澆鑄系統(tǒng)最小截面積采用公式（2）：

式中ΣF阻為澆注系統(tǒng)最小截面積，cm?;G 件為鑄件重量，Kg;ρ為鑄件材質(zhì)密度，kg/cm3;g為重力加速度，980cm/S^2;δ鑄件主要壁厚（常指最薄壁厚），mm;W為材質(zhì)系數(shù)，通過(guò)查表取值為0.24;t為鑄件有效澆注時(shí)間，s;帶入數(shù)值計(jì)算得到阻流截面積為內(nèi)澆道截面積2796mm^2，橫澆道截面積3914mm^2，直澆道截面積 3355mm^2; ∑A內(nèi)：∑A橫：∑A直=1：1.4：1.2，屬于半封閉式澆注工藝。

利用華鑄CAE模擬分析軟件對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的澆鑄過(guò)程進(jìn)行模擬，根據(jù)其壁厚設(shè)置澆鑄溫度為1350度，模擬體積充填，色溫充填，以及基于耦合的凝固，借助模擬分析軟件可以提前預(yù)測(cè)并發(fā)現(xiàn)鑄造可能出項(xiàng)的缺陷，從而對(duì)影響其形成的因素進(jìn)行有效的控制，部分模擬分析結(jié)果如圖5所示。

方案經(jīng)過(guò)多次模擬驗(yàn)證，同時(shí)根據(jù)模擬分析結(jié)果顯示，鑄件基本能實(shí)現(xiàn)順序凝固，補(bǔ)縮也相對(duì)充分，未發(fā)現(xiàn)明顯的縮孔縮松等不良現(xiàn)象。因此鑄造工藝方案基本可行。

在工藝方案定型完成后，根據(jù)三維模型通過(guò)UG設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行布爾運(yùn)算得到鑄造所需的三維模型如圖6所示

2.增減材數(shù)字化成型

本發(fā)動(dòng)機(jī)缸體制造工藝采用3D打印與數(shù)控切削兩種方式成型，上下模采用三軸型腔銑的加工方式，為了便于設(shè)備及時(shí)清理廢砂，粗加工選擇層優(yōu)先方式，單邊預(yù)留0.3毫米余量，精加工采用輪廓銑方式，去除余量至型腔表面，上下模加工時(shí)間僅為120小時(shí)，刀軌如圖7-1所示，實(shí)物如圖7-2所示：

除了上下模，內(nèi)芯為了保證尺寸精度全部采用3D打印一體成型方式，缸筒芯和側(cè)板芯采用噴墨成型工藝，油道芯為保證強(qiáng)度采用激光燒結(jié)成型工藝，所有內(nèi)芯加工時(shí)間僅為55小時(shí)，如圖8所示：

所有鑄型加工完畢后，將加工好的鑄型刷好涂料進(jìn)行裝配、澆鑄，得到鑄件，如圖9、圖10、圖11所示，鑄件經(jīng)劃線檢測(cè)尺寸精度達(dá)到鑄件尺寸公差GB/T 6414-1999中的CT7-CT8級(jí)精度，通過(guò)X光探傷檢測(cè)內(nèi)部質(zhì)量?jī)?yōu)良，未發(fā)現(xiàn)縮孔及大面積氣孔等缺陷，力學(xué)性能符合技術(shù)要求，缸體鑄件表面粗糙度也相對(duì)較好。

3.結(jié)論

本文進(jìn)行了直列六缸柴油發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的增減材數(shù)字化復(fù)合成型工藝技術(shù)的研究，成功制造出了合格的發(fā)動(dòng)機(jī)缸體金屬件，上下模采用數(shù)字化無(wú)模鑄造方法直接進(jìn)行數(shù)控切削加工成型，復(fù)雜內(nèi)芯采用3D打印工藝一次成型，在新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的過(guò)程中無(wú)需復(fù)雜的模具，可以實(shí)現(xiàn)更低成本、更高效率和更快速度的完成新產(chǎn)品試制和開(kāi)發(fā)，為發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)開(kāi)發(fā)提供了一種新的方法。此外，結(jié)合數(shù)值模擬分析技術(shù)的應(yīng)用，可以避免出現(xiàn)縮孔縮松等鑄造缺陷，實(shí)現(xiàn)了三維CAD/CAE/CAM的集成應(yīng)用，同時(shí)也進(jìn)一步驗(yàn)證數(shù)字化制造的可行性，為復(fù)雜零部件的開(kāi)發(fā)提供了一種更加先進(jìn)的具有數(shù)字化、綠色化以及更加柔性的制造方法。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：王金剛（1988-），男，本科學(xué)歷，助理工程師，研究方向?yàn)橄冗M(jìn)制造技術(shù)。